Simulation turbulenter kolloidaler Systeme und Vorhersage der Agglomeratmorphologie

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Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht in der Analyse jener elementaren Mechanismen, die den Entstehungsprozess und die Morphologie von Agglomeraten in turbulenten kolloidalen Systemen maßgeblich beeinflussen. Unter Anwendung der direkten numerischen Simulation soll der Einfluss unterschiedlicher Randbedingungen wie die Strömungs- und Turbulenzstruktur (homogene isotrope Turbulenz, Scherströmung), der fluiddynamische Partikeltransport, die Brownsche Diffusion sowie das Wechselwirkungspotential auf die entstandenen Agglomerate untersucht werden. Das hierzu verwendete Simulationsprogramm basiert auf der Lattice-Boltzmann-Methode. Es beschreibt das Verhalten von Fluiden auf mesoskopischer Ebene und eignet sich daher im Besonderen für die Analyse nano-skaliger Partikelsysteme mit komplexen Geometrien. Der strömungsmechanische Transport der injizierten Primärpartikel erfolgt zunächst unter der Annahme von Massenpunkten. Zur Simulation des Agglomerationsvorgangs werden die Oberflächen der entsprechenden Kollisionspartner durch eine lokale Verfeinerung des Rechengitters numerisch hoch aufgelöst. Die Umschaltung zwischen den jeweiligen Betrachtungsweisen erfolgt kurz vor einer Kollision unter Anwendung eines automatisierten Algorithmus. Entstandene Agglomerate werden dann durch die mitbewegte lokale Gitterverfeinerung voll aufgelöst, um die Wechselwirkung mit dem Fluid korrekt zu erfassen. In den Simulationen sollen sowohl die Entstehung als auch die Umorientierung und der Zerfall von Agglomeraten betrachtet werden. Mit Hilfe der Simulationen soll es schließlich möglich sein, die Agglomeratmorphologie, in Abhängigkeit der verwendeten Randbedingungen, realistisch vorauszusagen.